关键词： 在轨维护   末端操作工具   结构设计   柔顺控制   实验验证  

摘要： 随着空间技术的快速发展,舱外和空间任务日趋复杂多样,大量功能各异的空间飞行器被发射到太空。目前,各国的研究重点已经不仅仅是复杂航天系统的发射,而是如何保证已发射的航天器能够安全、稳定和长久地运行并完成空间任务。因此,空间在轨维护技术已成为当前的研究热点与难点。空间环境存在高真空、高辐射等复杂多样的特性,使宇航员的舱外维护活动成本高并伴有高风险性。由空间机器人代替宇航员进行在轨维护,可以有效降低成本、减小危险并能长期可靠地工作。在空间机器人技术领域,针对航天器进行拆卸、维修与组装,研制空间机械臂末端操作工具也是关键技术之一。通过对国内外现有相关项目研究成果的研究,本文研制了一系列针对常用连接件进行拆装的空间机械臂末端操作工具。首先,针对在轨维护任务和设计指标要求,提出了空间机械臂末端工具的总体设计方案。对常用螺纹连接件的特点进行了综合分析与对比,设计了3种拆装工具,并通过三维建模软件完成了所有零部件的设计、虚拟装配、干涉检查和重量预测;考虑到由关节柔性和运动误差等因素引起的机械臂末端径向位置偏差,提出了一种基于双十字滑块结构的偏差补偿方案,并对滑块的运动特性与传动效率进行了分析;设计了工具与末端执行器对接的统一接口,使工具安全、可靠地安装在执行器上,并接受其传递的两种动力,由仿真分析验证了接口的位姿容差能力;对工具的核心功能进行了分析与讨论,通过分析计算与有限元软件对结构复杂的零部件进行了强度校核。然后,研究了空间机械臂的控制策略以满足在轨维护任务中对工具进行操作的需求。结合螺钉的拆装任务讨论了机械臂在不同阶段控制模式的切换;鉴于维护任务的准备阶段对位置精度的需求,讨论了PD与计算力矩两种控制方法,并通过仿真进行了对比分析;为满足工具对接与连接件拆装阶段对机械臂柔顺性的需求,建立了基于位置的阻抗控制算法,由仿真分析验证了其控制效果。最后,研制了操作工具的实体样机,搭建了相应的实验平台,并开展了相关的实验验证。为验证操作工具的基本功能,进行了位置偏差补偿、夹持爪收放实验,并分析了实验结果;为验证工具的整体性能与相关控制策略,进行了连接件的拆装实验,实验结果表明:本文研制的操作工具设计方案可行,满足设计指标,选用的控制策略合理。

关键词： 机器人建模   旋拧阀门   柔顺控制   模型参考自适应   力跟踪  

摘要： 随着核电技术的高速发展,核电救灾作业也越来越受到世界各国的密切关注。旋拧阀门作为核电站基本作业任务之一,也逐渐受到广泛关注。为保护救灾人员的安全,采用机器人执行旋拧阀门任务将是最佳方式之一。本文结合机器人旋拧阀门的实际作业问题,提出了一种新的融合柔顺机构和自适应阻抗控制的主被动柔顺策略,并对该策略进行了详细的分析和研究。本文分析了远程操作机器人旋拧作业的误差来源,并完成了对其的分类。建立了不同类型作业误差与机器人末端作业力/力矩的分析模型。建立了六自由度机器人的正运动学模型和雅克比矩阵,并分析了机器人末端作业力/力矩和机器人关节力矩间的映射关系。建立了机器人旋拧作业的仿真模型,通过仿真分析验证了上述计算分析的正确性。分析了机器人旋拧阀门作业的主要问题,采用被动柔顺机构解决旋拧侧向力/力矩问题,采用自适应阻抗控制解决阀门手轮轴向位置的跟踪问题。设计了一款基于虎克铰机构的被动柔顺末端执行器,并完成了对其柔顺能力的分析。完成了机器人旋拧阀门的轨迹规划设计,为后续研究奠定基础。在ADAMS中搭建了旋拧阀门仿真平台,并完成了相关的旋拧阀门仿真实验,证明了被动柔顺末端执行器的有效性。建立了机器人旋拧阀门的实验平台,完成了基于被动柔顺末端执行器的旋拧阀门实验。针对阀门手轮旋拧过程中产生的轴向位移问题,本文采用基于位置的阻抗控制对阀门手轮位置进行跟踪的方法,并分析了阻抗控制的恒力跟踪稳态误差,完成了阻抗控制系统性能的仿真分析。针对阻抗控制恒力跟踪效果的不足,本文进一步采用自适应阻抗控制,基于Lyapunov稳定理论设计了自适应控制律,并搭建了自适应阻抗控制系统,完成了控制系统的性能分析。建立了MATLAB/ADAMS联合仿真平台,完成了相关的联合仿真实验。基于已搭建的机器人旋拧阀门实验平台,完成了基于主被动柔顺的机器人旋拧阀门实验。

关键词： 托卡马克   遥操作   机器人   末端执行器   动态运动基元  

摘要： 遥操作维护系统是当前磁约束聚变装置必不可少的关键子系统,这是由于托卡马克聚变堆内部存在较强辐射,其维护操作不能直接由人工近距离完成。针对EAST托卡马克装置,由于受巨大而复杂的热负荷、电磁载荷作用,第一壁部件在装置运行过程中会出现裂纹、表面形貌变化、结构破坏等失效形式,轻则影响高质量等离子体的获得,重则会导致等离子体放电根本无法进行或影响装置运行安全。为保证高参数等离子体放电所需的第一壁条件,必须对损伤小部件进行更换与维护。中科院等离子体所科研人员在法国CEA-AIA机械臂的基础上升级改造,设计了满足EAST装置维护需求的EAMA(EAST Articulated Maintenance Arm)机械臂,使其不仅能够在放电间隙(高真空10-5Pa,高温80℃)进入真空室内部实现观测任务,更重要的是能够完成对第一壁破损石墨瓦的更换操作。这涉及到石墨瓦固定螺栓拆装过程中的柔顺控制问题,基于这点,本课题在充分调研国内外机器人柔顺控制研究现状基础上,根据EAMA机械臂的结构特点和石墨瓦固定方式,提出了面向EAST第一壁石墨瓦更换的机器人柔顺控制系统,并对其中的末端执行器结构设计、冗余自由度柔性机器人运动控制技术以及视觉和力反馈控制相结合的石墨瓦柔顺拆卸技术等关键技术进行了研究。本课题来源于国际热核聚变实验堆(ITER)计划专项"EAST内部部件实时检测、分析和快速更换关键技术"(No.2014GB101000),主要研究内容如下:1.充分调研和分析国内外遥操作维护系统关键技术研究现状和最新进展。针对EAST装置遥操作维护系统的功能要求和设计约束条件,提出了基于EAMA机械臂的EAST遥操作机器人系统设计方案。在此基础上,结合EAST第一壁石墨瓦的更换需求,引出了柔顺控制在遥操作维护过程中的重要性。通过进一步调研分析机器人柔顺控制技术的研究现状,同时考虑EAMA机械臂的结构柔性,提出了基于视觉和力反馈的混合柔顺控制系统,并对涉及到的末端执行器结构设计和冗余自由度柔性机器人运动控制技术等关键技术进行了简要介绍。2.在法国CEA-AIA机械臂基础上,研究并设计基于EAMA机械臂的EAST遥操作机器人系统。在结构设计方面,重点研究EAMA机械臂模块化关节结构设计,包括U型夹形式的连接结构、基于索轮机构的偏航驱动、基于平行四边形机构的俯仰驱动以及基于齿轮齿条的Shuttle推进机构等;在控制系统方面,研究虚拟现实仿真技术在EAST遥操作机器人分布式控制系统中的应用;在硬件结构方面,研究基于CAN总线的EAST遥操作机器人硬件系统架构。3.研究面向石墨瓦快速更换的末端执行器设计,重点研究采用偏心轴与波纹管进行旋转动密封的模块化关节和基于绳索结构的两指手爪设计以及具备视觉定位和力反馈功能的末端感知模块设计。考虑到末端感知模块在烘烤过程中的安全防护问题,还研究了一种非接触式主动冷却系统设计,提出了冷却系统控制方案,并采用热分析的方式进行验证,最后结合实验对末端执行器的基本功能进行验证。4.研究与EAST遥操作机器人相关的运动学模型、逆运动学求解方案、EAMA机械臂柔性模型构建以及机械臂关节伺服控制器等在石墨瓦更换柔性控制研究中的运动控制基本问题。重点研究基于等效刚度的机械臂柔性几何模型,并借助实验给出关节等效刚度的计算方法,该几何模型构建用于补偿机械臂关节由于自身重量以及负载造成的末端柔性变形,进而提高虚拟仿真环境中机械臂运动学建模的准确性。另外还重点研究基于三闭环控制器的关节位置伺服控制系统,并通过实验对伺服运动控制系统设计方案进行验证。5.研究基于视觉和力反馈的混合柔顺控制技术,首先给出视觉和力反馈系统中必要的硬件配置,接着研究单目视觉定位中的若干关键技术,包括图像特征提取、摄像机标定、摄像机-机器人标定、位姿估计等理论和技术知识;针对石墨瓦拆卸过程中涉及到的"插轴入孔"这一关键问题,提出了基于动态运动基元理论的力反馈运动控制技术;考虑到视觉定位不可避免的存在一定误差,还提出了基于力反馈的位置不确定性搜索方法。6.搭建以UR5机器人为主体的拆瓦实验平台,通过实验对石墨瓦更换柔顺控制系统进行验证。结果表明该柔顺控制系统具有良好的力反馈控制能力,能够实时根据装配力进行反馈调整,并且可以通过运动学习不断减少插入拆卸时间,而基于不确定性位置搜索策略有效的避免了因为位姿估计等误差的影响,提升了操作的成功性,但在可承受范围内延长了操作的时间。

关键词： 上肢康复机器人   人机交互   协调运动   柔顺控制   硬件在环  

摘要： 随着机器人技术越来越多的运用到脑卒中医疗康复领域,康复机器人各方面研究取得了长足的进步和发展,机器人的运动控制的算法优劣直接影响使用者的体验效果。康复机器人是集机械技术、传感器技术、控制算法及康复医学为一体的“人机交互”系统。上肢康复机器人需要机器人和上肢极性协调运动,柔顺的人机交互运动控制算法有助于提高人机交互的操纵性。根据前期参与上肢康复机器人项目的样机研制中,分析样机存在的问题。康复机器人样机的研制上,机械,电路的改进使得机器人的整体性能有了提升,但是康复机器人的核心控制算法还有缺陷,直观的表现在机器人人机交互过程中人机交互协调运动不佳,以及卡顿、振动等直观现象,需要找到根本问题所在,再综合在控制算法中进行解决。为了研究各种单一变量对交互性能的影响,论文对多维康复机器人系统进行了简单化,首先搭建了单自由度的“硬件在环(HIL:Hardware-in-the-loop)”实验系统,基于此系统,开展了以下研究:(1)六维高精度力/力矩(F/T)传感器的前置信号处理。用于表征人机交互力学特性的多维传感器数据需要实时、准确地采集并反馈到控制系统,但交互过程中传感器的微弱传输信号会受到电磁等随机噪声干扰,影响控制系统的准确性和精度,需要对传感器信号进行前置滤波处理。论文在考察多种数字滤波算法基础上,采用卡尔曼滤波对采集后的信号进行处理,取得了比较理想的效果。(2)复杂的摩擦力辨识。机电系统中摩擦力客观存在,作为人机交互系统的康复机器人设备,操作体验不仅受到来自于运动副表面摩擦力的影响,而且样机使用了谐波减速机使得摩擦力的负面表现更加不容忽视。论文分析了各种干摩擦模型的特性,最后选择LuGre摩擦模型来辨识系统的摩擦力,验证了该摩擦模型可以精确表征系统的摩擦特性,研究了基于LuGre摩擦模型对系统的影响,并对系统的摩擦参数进行精确辨识,实验结果验证了模型选择和参数辨识的合理性。(3)优化了系统控制策略。论文将精确辨识的摩擦力作为前馈补偿,对算法特性进行了仿真和实验研究。结果表明,基于模型的摩擦补偿阻抗控制表现了较好地柔顺控制效果。(4)为了获得更好的人机交互体验,论文最后初步研究了基于触觉特性的控制策略,多方面来研究人机交互柔顺性的影响因素。

关键词： 机器人   人工智能   离线编程   柔顺控制   三明治结构   航空航天   高精度测量   航空制造   绝对定位精度   轨迹规划   蜂窝结构   碰撞能量   工装   数模   芯材   领域  

摘要： 赢创:泡沫三明治结构部件能够优化飞机设计飞机制造要求在成本最低的前提下进行最高效的设计。为了满足飞机制造商对碰撞(如鸟击、冰雹)后损伤容限和损伤可见性的严苛要求,赢创工业集团(Evonik)为三明治结构部件开发了一种名为"Rohacell Hero"的泡沫芯材。冲击测试已证实,在经历了冰雹、跑道碎片或工具掉落等冲击能量在35J左右的破坏后,部件的损伤可见度仍满足要求。这是由于Rohacell Hero为闭孔泡沫,能够将碰撞能量

关键词： 机械臂   控制系统   力传感器   柔顺控制  

摘要： 目前,机器人广泛地应用到工业、军事、航天等自动化领域,为使机器人更好的完成作业任务,顺应接触的作业环境,实时修正机械臂末端的运动轨迹,本文研究了基于腕力传感器的机械臂零点标定的方法,并结合开门作业任务,完成了机械臂柔顺控制作业。本文以雄克公司六自由度机械臂为研究对象,首先,搭建了以雄克机械臂为核心的控制系统,主机选用研华ARK5260,利用固高GTS系列运动控制器对移动平台进行控制,并采用MFC编写人机界面,实现对机械臂以及相关设备的控制。同时研究了对机械臂基本运动学分析,分别完成机械臂在笛卡尔空间和关节空间的规划,实现了机械臂执行任务的基本运动规划。其次,针对机械臂运动时负载端姿态变化影响腕力传感器测量结果问题,提出一种腕力传感器负载端重力补偿算法。通过分析机械臂负载端不同姿态下的重力变化形式,采用实验方法测定负载端重力与重心参数。建立了腕力传感器重力补偿系统模型,结合机械臂运动学方程,推导出腕力传感器负载端重力补偿算法和机械臂末端作用力解算方法,并应用算例进行MATLAB与ADAMS联合仿真。仿真表明本补偿算法能有效地消除负载端姿态变化影响,通过腕力传感器准确地测量机械臂所受的外力信息,验证了机械臂腕力传感器负载端重力补偿算法的正确性。最后,结合开门作业任务,分析了机械臂在开门过程中受力情况,在基于笛卡尔空间位置控制的基础上,提出了一种基于阻抗控制的柔顺开门作业规划,完成柔顺开门作业的实验,合理选取开门过程参数。在通过精准位置控制的基础上,保证了机械臂末端在不施加力的方向上不超过临界钝化值,实现了机械臂柔顺控制开门作业,大大减小了机械臂的劳损与故障。

关键词： 柔顺控制   力位混合控制   工业机器人   磨抛  

摘要： 随着智能制造的发展,机器人在磨抛中应用也越来越多。在机器人磨抛过程中,稳定控制磨抛力提高对磨抛质量具有重要意义。因此,本文针对机器人磨抛力的控制算法进行研究。(1)通过分析磨抛过程中工件的受力情况,得出控制磨抛时法向力为恒力来控制磨抛质量。结合两种主动柔顺控制算法的优缺点,最终提出力位混合控制算法来控制机器人磨抛力。(2)针对机器人磨抛过程中外力干扰和曲面磨抛,分别提出变参数PID控制法和基于矢量法力位混合控制算法。依据PID控制器的参数变化模型,建立控制参数随工况变化的PID控制器,提高机器人在磨抛过程控制磨抛力抗外力干扰的能力。通过分析曲面模型和曲面跟踪控制原理,提出了基于矢量法的力位混合控制算法,实现机器人多维力控制和曲面跟踪。(3)在MATLAB和Adams仿真环境中对力位混合控制算法进行仿真验证。通过在MATLAB中验证变参数PID控制算法,表明外力干扰时末端力在0.8s内稳定下来;而验证基于矢量法控制算法时,多维力在1s内稳定下来。在MATLAB和Adams联合仿真实验中,末端力在0.8s内稳定并具有曲面跟踪的效果,验证了提出的两种控制算法。(4)设计力位混合控制算法的验证实验,验证了变参数PID比常规PID稳定速率提高70%,而机器人在多维力在外力干扰时,可以一直保持稳定状态。分析实验曲线变化,证明提出的控制算法达到预期的控制效果。

摘要： Legged robots have the potential to extend our reach to terrains that challenge the traversal capabilities of traditional wheeled platforms. To realize this potential, diverse legged robot designs have been proposed. However, combining mobility with energy efficiency is still a challenging task due to the inherently dissipative nature of legged locomotion. Biological systems demonstrate the great potential of utilizing compliant elements in legged locomotion. During running, part of the mechanical energy is recovered by the elastic deformation of muscles and tendons and returned to the system when it is needed. In addition, compliance also alleviates the requirement for powerful actuators. Introducing compliance into legged robots, however, is not a straightforward task. With the objective to close the gap between mobility and efficiency, this thesis explores the applications of both active and passive compliant elements in the design and control of running robots. The thesis begins with reduced-order running model with massless springy legs before delving into higher-dimensional models that constitute the more faithful representation of robotic systems. Using time-reversal symmetries of the underlying dynamics of these reduced-order models, this thesis states analytic conclusions on the stability of periodic running gaits, which can be used to facilitate controller design. Next, a detailed model with segmented leg and inelastic impact is adopted to study the periodic bounding of quadrupedal robot HyQ. Mimicking the reduced-order models, stable periodic bounding gaits emerge as the interaction results between the robot and its environment. Inspired by the complementary benefits of passive and active compliance in energy efficiency and control authority, respectively, we propose in this thesis a novel actuation concept: the switchable parallel elastic actuator (Sw-PEA). This concept relies on adding compliance in parallel with the actuator to reduce both the energy c

关键词： 分布柔度式平面柔顺机构   运动学   动力学   自抗扰控制  

摘要： 精密定位技术应用非常广泛,它在纳米技术、生物工程、光学组件定位等技术研究领域中的基础性关键技术,在这些领域中发挥着重要作用,也是保证精密定位的关键技术支撑。同时精密定位技术在科学技术发展的今天,应用领域得到了进一步的扩展,这使得精密定位平台的定位精度要求越来越高。因此,研究高精度的精密定位平台有着非常重要的理论价值和实际意义。本文在以柔性并联机构为理论指导的基础上,结合拓扑学理论对于所设计的分布柔度式平面柔顺机构的综合性能进行分析,并设计控制器对分布柔度式平面柔顺机构动平台的跟踪轨迹精度进行控制。具体内容如下:(1)以分布柔度式平面柔顺机构为研究对象。分别介绍了柔性并联机构与分布柔度式平面柔顺机构的特点,通过闭环矢量法对分布柔度式平面柔顺机构的运动学进行分析。运用所得到的运动学方程,对机构的工作空间进行求解,获得了分布柔度式平面柔顺机构末端执行器所到点的集合,即为所求的工作空间。并且利用三维分析软件对机构的运动进行仿真分析,结果证明了所选构型运动学模型的有效性。(2)利用对柔性并联机构动力学方程的求解方法,使用拉格朗日方法以及假设模态法对于分布柔度式平面柔顺机构的动力学方程进行求解。通过三维分析软件对机构进行模态分析,得到机构前三阶模态的固有频率与振型。结果表明在分布柔度式平面柔顺机构的动力学模型的建立上是有效的。(3)基于分布柔度式平面柔顺机构的输入输出雅克比矩阵,设计了自抗扰控制器。将分布柔度式平面柔顺机构的动力学耦合以及外界干扰视为总扰动,通过对扩张状态观测器的设计对其进行补偿,并与机构在传统PID控制的条件下进行对比。实现了分布柔度式平面柔顺机构的高精度控制。仿真结果表明自抗扰控制优于传统PID控制,满足系统的性能要求,并证明了所设计控制器的可行性。(4)对于所设计的分布柔度式平面柔顺机构加工并进行实验。得出了机构的轨迹跟踪位移曲线,并通过与机构的理论值进行对比分析,证明所设计的分布柔度式平面柔顺机构可实现亚微米级定位。

关键词： 遥操作   环境建模   参数辨识   模型更新   阻抗控制  

摘要： 利用机器人代替人在危险的或不易到达的区域进行作业,不仅能避免了人可能受到的伤害,还可以降低成本,提高工作效率。由于机器人可能处于非结构化的环境并面对复杂多变的操作任务,同时受到传感设备、控制系统和智能水平等支撑技术的制约,全自主式的机器人仍是短期内难以达到的目标。因此,力反馈遥操作技术仍是太空、水下和核辐射区域等地的机器人操作任务的主要完成手段。作为力反馈遥操作技术的三种主要方法之一,基于预测模型的遥操作技术凭借其对大时延的鲁棒性和良好的稳定性、透明性,在近年来受到越来越广泛的关注。本文针对其环境模型参数辨识和从端柔顺控制技术开展了深入研究,本文的主要工作内容如下:首先,根据不同环境模型建模方法和环境模型参数在线辨识算法的特点,完成对建模方法和参数辨识算法的分析。在系统分析环境模型建模方法的建模精度和适用范围的基础上,对多种环境参数在线辨识算法进行了实验研究。提出使用交叉验证的方法定量衡量参数辨识过程中模型准确性的变化,并对不同辨识算法的效果进行比较,分析辨识效果影响因素,为环境模型建模和参数辨识技术的应用提供指导。其次,在比较分析现有环境模型更新算法的基础上,提出并验证了一种新的模型更新算法。分析环境模型更新算法对基于预测模型的力反馈遥操作系统的作用,然后分析现有的环境模型更新算法各自的优缺点,并比较实际效果。提出一种基于渲染力的模型更新算法,定义反馈力中影响操作者正常操作的突变力,并以突变力大小为限制条件,直接控制输出渲染力。不同于现有方法通过控制模型参数变化间接控制输出渲染力,本文提出的算法具有更高的效率和稳定性。然后,对从端柔顺控制技术进行了研究,提出了一种应用于基于预测模型的遥操作系统的基于参数自适应调节的阻抗控制器。通过使用阻抗控制器的期望力和期望位置的两路输入,使系统在建模误差较小时获得较好的跟踪性和透明性。针对现有的力/位混合控制方法和相对跟踪控制方法可能导致过大的侵入深度或过大的接触力的问题,推导接触系统稳态位置与阻抗参数的关系,并以从端侵入深度与主端侵入深度的比值、从端接触力与主端接触力的比值作为目标阻抗参数限制条件。设计了阻抗参数自适应律,完成控制器的设计,使该控制器能在获得较好的跟踪性和透明性的同时,在存在较大建模误差的情况下,有效维护从端的安全性和稳定性。最后,利用基于预测模型的力反馈遥操作系统实验平台,对本文所提出的方法进行了综合实验验证分析。实验结果进一步验证了理论方法的正确性和有效性。